Java锁机制：从偏向锁到重量级锁的动态升级
一、synchronized锁的底层实现：对象头与Mark Word
synchronized是 Java 内置的锁机制，其底层实现是基于**Java对象的对象头（Object Header）**中的 Mark Word。Mark Word 用于存储对象的运行时数据，包括锁状态、哈希码、GC分代年龄等。
- 锁状态：
Mark Word中有一个用于标记锁状态的位。通过修改这个位，JVM 可以实现锁的动态升级。
二、锁的升级：根据竞争情况动态调整
synchronized 锁的升级是一个不可逆的过程，旨在在无竞争、低竞争和高竞争场景下，提供最佳的性能。
1. 无锁状态
- 特点：
Mark Word中只存储对象的哈希码、分代年龄等信息。 - 性能：无任何锁开销。
2. 偏向锁（Biased Locking）
- 核心思想：当一个线程首次获取锁时，JVM 会在
Mark Word中记录该线程的 ID。 - 适用场景：无竞争，同一线程重复获取锁的场景。
- 性能：后续该线程再次获取锁时，只需比对
Mark Word中的线程 ID，无需额外的同步开销，性能极高。 - 撤销：当另一个线程试图获取已被偏向的锁时，偏向锁会被撤销，并升级为轻量级锁。
3. 轻量级锁（Lightweight Locking）
- 核心思想：当偏向锁被撤销后，JVM 会在栈帧中创建一个锁记录，并通过 CAS（Compare-And-Swap）操作将对象头中的
Mark Word指向锁记录。 - 适用场景：低竞争，线程交替获取锁的场景。
- 性能：线程在获取锁失败时，会进行自旋，而不是立即阻塞。这避免了线程阻塞和唤醒的开销。
- 升级：当自旋失败，或者锁竞争激烈时，轻量级锁会升级为重量级锁。
4. 重量级锁（Heavyweight Locking）
- 核心思想：当锁竞争激烈时，线程会阻塞。
synchronized的重量级锁是基于操作系统的 **Mutex（互斥量）**实现的。 - 适用场景：高竞争，锁持有时间长的场景。
- 性能：线程阻塞和唤醒会涉及用户态到内核态的切换，开销大。
- 实现：JVM 会在对象头中写入一个指向
ObjectMonitor的指针。ObjectMonitor是 C++ 实现的，用于管理等待锁的线程队列。
三、锁的动态升级流程
synchronized 锁的升级是一个不可逆的过程。
无锁 → (单线程获取) → 偏向锁 → (出现竞争) → 轻量级锁 → (自旋失败) → 重量级锁
结论：
Java 的锁机制通过动态升级，在不同并发场景下实现了性能和安全性的平衡。理解锁的升级流程，有助于开发者编写高效、线程安全的并发代码。
